皮帶機集中控制系統(tǒng)的改造及應用研究

喬俊峰

（山西長治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

引言

皮帶機為綜采工作面的主要運輸設備，在當前數(shù)字化、自動化、現(xiàn)代化礦井建設的大背景下，實現(xiàn)綜采工作面各類機電設備集中控制是未來煤礦的發(fā)展趨勢。但在實際生產(chǎn)中，由于傳統(tǒng)皮帶機未實現(xiàn)集中控制功能而導致應用過程中存在諸多問題，影響著工作面的運輸效率和安全[1]。皮帶機的集中控制需綜合現(xiàn)場總線控制技術、PLC控制技術、以太網(wǎng)通信技術以及工業(yè)組態(tài)軟件技術等關鍵技術。本項目以PLC控制器和KTC101控制器為核心對皮帶機進行改造，以實現(xiàn)集中控制功能。

1 煤礦皮帶機現(xiàn)狀分析

本文以東灘煤礦為例開展研究，該煤礦共包括東翼、西翼以及北翼三個采區(qū)。每個采區(qū)共有兩條皮帶機，其中除了東翼采區(qū)的東一采皮帶機為下運皮帶機外，其余均為平巷運輸?shù)钠C。目前，工作面所布置的六條皮帶機均采用相對獨立的控制方式，未形成互連，各個皮帶機的運行參數(shù)僅作為控制其自身的主要依據(jù)，井下與地面的工作處于相對脫離的狀態(tài)，不具備集中控制和顯示的功能。工作面各個采區(qū)所布置的皮帶機的參數(shù)如表1所示。

表1 各采區(qū)皮帶機參數(shù)

目前，煤礦上述各采區(qū)皮帶機在實際應用中主要存在的問題具體總結如下：

1）北翼采區(qū)和西翼采區(qū)所安裝的皮帶機設備已經(jīng)出現(xiàn)嚴重老化現(xiàn)象，配件缺乏，維護困難。最主要的是，由于該采區(qū)的皮帶機采用繼電器的邏輯控制方式，在多年的使用下容易被氧化，而且故障很難被排查[2]。

2）東翼采區(qū)的5號皮帶機屬于下運式皮帶機，由于該皮帶機所采用的電控系統(tǒng)不具備輸出信號的功能，導致無法從地面實現(xiàn)對其監(jiān)測和控制；此外，5號皮帶機采用手持式編程器對控制器的程序進行編寫，導致其無法對故障進行溯源查詢，也無法根據(jù)工況對控制程序及時進行修改。6號皮帶機為平巷運輸皮帶機，該皮帶機采用液力耦合器進行啟動，隨著工作面的延伸，液力耦合器的啟動方式無法滿足實際運輸需求。

3）目前工作面所布置的6條皮帶機均采用拉線急停的控制方式。具體為：在皮帶線路上每隔150 m布置一個拉線緊急停止開關，當皮帶機運輸過程中出現(xiàn)故障時，由人工拉下緊急開關確保設備停機。但是，基于上述方式無法保證設備在緊急狀態(tài)下停機，同時也無法對皮帶機的故障進行準確定位，這就為后期的維護帶來困難，即便在故障維護后也難以在第一時間啟動設備保障運行?？偠灾?，當前皮帶機控制系統(tǒng)存在啟動方式老舊、設備老化、故障停機不及時、故障定位不準確以及啟動滯后等問題[3]。

因此，急需對煤礦皮帶機的核心控制器、啟動方式等進行改造，并結合現(xiàn)代化煤礦建設的需求為其增加地面監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對井下皮帶機的監(jiān)測、控制、報警等功能。

2 皮帶集中控制系統(tǒng)的改造理論基礎

結合當前煤礦現(xiàn)代化、自動化以及高可靠性的建設需求，實現(xiàn)對皮帶機的集中控制是非常有必要的。皮帶機的集中控制系統(tǒng)主要分為三個層次，其結構如圖1所示。

圖1 皮帶機集中控制系統(tǒng)結構圖

從圖1可知，皮帶機集中控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、通信層和信息管理層。其中，通信層主要以1 000 Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心，同時采用現(xiàn)場總線通訊技術保證其功能的實現(xiàn)。地面為信息管理層，包括有皮帶集控制的冗余站和監(jiān)控主站；井下除了通信層外，還包括有現(xiàn)場控制層，包括有皮帶機電機開關和皮帶機的保護裝置、電氣控制系統(tǒng)等。

皮帶機電氣控制系統(tǒng)為本次改造的核心，結合皮帶機的現(xiàn)狀及運輸工況，針對目前的6條皮帶機，對其中2條采用PLC控制系統(tǒng)，另外4條采用KTC101控制系統(tǒng)。此外，建立各皮帶機與地面的通訊，使其運行工況參數(shù)、故障等信息能夠及時、準確的反饋于地面監(jiān)控系統(tǒng)中[4]。

3 皮帶機集中控制系統(tǒng)的改造實施

3.1 北翼、西翼皮帶機的改造實施

北翼和西翼采區(qū)皮帶機在原有主電路的基礎上，采用KTC101控制器對其進行改造，以保證電控系統(tǒng)能具備故障保護、語音報警、緊急停車閉鎖以及數(shù)據(jù)通信和傳輸?shù)墓δ?。KTC101控制器對應的系統(tǒng)與上位機通訊所組成的集中控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于KTC101控制器的皮帶機集中控制系統(tǒng)簡圖

根據(jù)現(xiàn)場情況將北翼采區(qū)和西翼采區(qū)的電氣控制柜拆除，并安裝一臺KTC101控制器。此外，在皮帶機的沿線方向每隔50 m安裝一臺語音通信設備，在皮帶機機尾位置安裝一臺KJS101-4的信號分控箱，對皮帶機的故障進行監(jiān)測。以北翼采區(qū)為例，其改造后的設備布置情況如圖3所示。

圖3 基于KTC101控制器的集中控制系統(tǒng)的設備布置圖

3.2 東翼皮帶機的改造

東翼皮帶機以PLC控制器為核心進行改造，改造后皮帶機采用驅動電機+變頻器+減速器+驅動滾筒的方式進行控制。以PLC控制器為核心對皮帶機的變頻裝置進行控制；將皮帶機的張緊裝置布置于設備的機頭位置，并采用液壓油缸和慢速絞車對皮帶進行張緊；采用變頻裝置取代液力耦合裝置的啟動方式是東翼采區(qū)皮帶機的改造重點，此舉能夠解決液力耦合裝置無法適應后續(xù)長距離的運輸要求；東翼皮帶機采用多點驅動方式進行驅動，以解決實際控制的功率平衡和同步問題；在上述改造基礎上將矢量控制技術與變頻啟動方式相結合，以減少設備的投入成本和設備在啟動階段對電網(wǎng)和設備造成的沖擊[5]。

4 結論

1）改造后以工業(yè)以太網(wǎng)為核心完成地面與井下的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對皮帶機運輸參數(shù)及故障信息的及時顯示和報警；

2）改造后現(xiàn)場皮帶機可實現(xiàn)分布式控制，并通過現(xiàn)場總線控制技術實現(xiàn)匯總后的集中操作和管理；

3）采用變頻器替代傳統(tǒng)液力耦合裝置的啟動方式，解決了長距離帶式輸送機的啟動問題和功率平衡問題。